В

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15696 (2015) Цитировать эту статью

2509 Доступов

8 цитат

Подробности о метриках

Методика обнаружения лазерного пробоя (LIBD) была адаптирована для быстрого определения характеристик пучков наночастиц на месте, сфокусированных в вакууме с помощью аэродинамической линзы. В методе используется узкофокусированный сканирующий лазерный микрозонд размером 21 мкм, который генерирует локальную плазму, индуцированную взаимодействием лазера с одной частицей. Оптическое детектирование в режиме счета позволяет получать двумерные изображения пучков наночастиц с меньшим временем анализа благодаря использованию инфракрасного импульсного лазера с высокой частотой повторения. В качестве примера представлены результаты, полученные с наночастицами триптофана, и обсуждены преимущества этого метода перед существующими.

Лазерные методы (например, светорассеяние, лазерно-индуцированная плазма или рамановская спектроскопия) для анализа наночастиц на месте и в реальном времени применяются для различных приложений, таких как управление технологическими процессами или мониторинг сточных вод в атмосфере или в науки об окружающей среде1,2,3,4. Простота их реализации, а также возможность дистанционного анализа на месте и в режиме реального времени делают эти методы идеально подходящими, когда обработка проб должна быть сведена к минимуму или когда отбор проб напрямую невозможен (например, радиоактивные элементы или образцы в вакууме). . Кроме того, большинство этих методов являются неинвазивными и практически неразрушающими, поскольку для определения характеристик используется лишь небольшая часть общего количества частиц.

Среди этих лазерных методов LIBD является очень чувствительным методом, хорошо известным для определения распределения коллоидов по размерам в водных растворах5,6,7. В этом методе импульсный лазерный луч жестко фокусируется на частицах, а затем индуцированный пробой детектируется либо с помощью акустического метода (пьезоприемника) для мониторинга плазменной ударной волны8, либо оптического метода сбора излучаемого света9. В нашем случае свет, излучаемый плазмой, собирается без спектрального анализа, что приводит к повышенной чувствительности по сравнению с классической методикой спектроскопии лазерного пробоя (LIBS). Было продемонстрировано, что LIBD способен обнаруживать наночастицы размером всего 5 нм10 и концентрацией ниже 106 частиц/см3, тогда как традиционные методы светорассеяния требуют более жестких экспериментальных условий, таких как плотность частиц на несколько порядков выше (более 1010 частиц/см3). для обнаружения одного и того же диапазона размеров11) и/или частиц в виде фрактальных агрегатов12.

Целью настоящей работы является адаптация метода LIBD для характеристики пучков наночастиц, генерируемых с помощью системы аэродинамических линз (ALS), позволяющей переносить наночастицы из атмосферного давления во вторичный вакуум. Аэродинамическая фокусировка частиц осуществляется путем последовательного сжатия и расширения газа-носителя через ряд коаксиальных отверстий различного диаметра. За счет эффектов инерции наночастицы постепенно отрываются от линий тока газа и фокусируются вдоль оси симметрии линзы. С момента их первоначальной разработки Питером МакМюрри13,14 в 1995 году несколько других исследовательских групп изучали эти аэродинамические линзы, чтобы охарактеризовать и оптимизировать их характеристики15,16,17,18,19. Эти системы обычно используются в качестве вводного инструмента для аэрозольных масс-спектрометров20,21,22,23 из-за их способности с высокой эффективностью фокусировать наночастицы с широким распределением размеров в луч субмиллиметрового размера. ALS является важным инструментом для химических исследований свойств частиц, таких как реакционная способность, когда важно, чтобы образец был свободен от какого-либо взаимодействия с подложкой. Совсем недавно такие системы также использовались для обеспечения эффективного взаимодействия между нанообъектами и источниками излучения, такими как синхротроны24, лазеры на свободных электронах25,26 или обычные лазеры27, для широкого круга научных исследований. Хотя БАС широко охарактеризован с помощью численного моделирования13,18,28,29, экспериментальные попытки систематически оценить его фокусирующие свойства редки19,22. Однако характеристика пучков наночастиц является ключевым вопросом, поскольку их размеры напрямую влияют на эффективность взаимодействия с конкретным зондом. Например, для исследований синхротронного излучения важно генерировать пучок наночастиц с размерами в том же диапазоне, что и типичный размер синхротронного луча, т.е. около 200 мкм в случае канала PLIADES на установке Synchrotron SOLEIL, где была выполнена эта разработка.